7.3.2. Фоторецепция в красной области спектра: фитохромная система

7.3.2.1. История открытия фитохрома

В 1952 г. американец Г. А. Бортвик изучал прорастание семян салата. В пол­ной темноте набухшие семена не прорастали, но прорастали после нескольких секунд освещения. Семена были настолько чувствительными к свету, что при­ходилось работать с ними как с фотоматериалами, обертывая образцы свето­непроницаемой бумагой или фольгой. Был получен спектр физиологической реакции: график зависимости процента проросших семян от длины волны. Оказалось, что дальний красный свет (λ = 730 нм) тормозит реакцию прорас­тания. При последовательном освещении красным (660 нм) — дальним крас­ным (730 нм) — красным (660 нм) семена прорастают, но если последнюю вспышку света заменить на дальнюю красную (730 нм), то прорастание замед­лялось. Наблюдается К/ДК — обратимость, т. е. физиологический ответ при низкой интенсивности освещения можно обратить. В итоге растения дают тот ответ, который вызывает последняя вспышка света.Была выдвинута гипотеза, что в семенах есть пигмент-рецептор, который обладает свойством «переключаться» при действии внешнего стимула: красно­го или дальнего красного света. Этот фоторецептор был назван фитохромом (phyton — растение; chromos — краска, пигмент).Спектр физиологической реакции прорастания семян позволил начать по­иски и выделение пигментов, обладающих таким же спектром поглощения. Из растений выделяли очередной пигмент, его спектр сравнивали с физиоло­гическим спектром. Эта стратегия поиска увенчалась успехом: всего через 7 лет У.Л.Батлер и С. Б. Хендрикс выделили фитохром в чистом виде и охарактери­зовали его (рис. 7.27).

Рис. 7.27. Спектр поглощения фитохрома Ф₆₆₀ И Ф₇₃₀.

Для сравнения показаны положения макси­мумов поглощения Р₆₈₀ и Р₇₀₀. ФАР — область фотосинтетически активной радиации

Физиологические ответы фитохромной системы были разделены на три груп­пы: 1) ответ на сверхнизкую интенсивность света (0,1—1 мкмоль квантов/м²); 2) ответ на низкую интенсивность (1 — 1000 мкмоль квантов/м²); 3) высоко­энергетический ответ (более 1000 мкмоль квантов/м²).

7.3.2.2. Фотоконверсия фитохрома. Фитохромы а и в

Фитохром представляет собой димер белка с ковалентно связанной хромо­форной группировкой из четырех пиррольных колец (А, В, С и D). Молекула хромофора синтезируется сначала как замкнутый тетрапиррол (гем), а затем размыкается и встраивается в белок. Хромофор имеет структуру, близкую к фикобилинам (см. подразд. 3.3.3).

Как и ожидалось, хромофор фитохрома (фитохромобилин) существует в двух основных спектральных формах, которые переходят друг в друга. Форма Ф₆₆₀ (красная) улавливает «красные кванты» света и переходит в Ф₇₃₀ (даль­нюю красную). Это объясняет эффект К/ДК-обратимости: при освещении крас­ным светом форма Ф₆₆₀ исчезает (форма Ф₇₃₀ накапливается). Если после этого осветить растение светом с длиной волны 730 нм, форма Ф₇₃₀ перейдет в Ф₆₀₀. Последовательные вспышки приводят к тому, что сначала весь фитохром пе­реходит в одну форму, а потом в другую и т. д. Для физиологической реакции важна именно последняя форма фитохрома, т. е. последняя короткая вспышка, которой освещали растение.

Главным событием, приводящим к фотоконверсии форм фитохрома, явля­ется поворот кольца D относительно кольца С (цис-транс-изомеризация в метиновом мостике) (рис. 7.28).

Рис. 7.28. Структура фитохрома:

А — структура хромофорной группировки и ее изменение при фотоконверсии форм фитохро­ма (см. также рис. 7.26);

Б — функциональные домены белковой части фитохрома

Эта реакция приводит к изменению конформации белкового окружения хромофора и димера в целом. Первичная форма воз­бужденной хромофорной группировки оказывается недостаточно стабильной и самопроизвольно через ряд этапов переходит в более стабильные формы, причем промежуточные формы для перехода из Ф₆₆₀ в Ф₇₃₀ отличаются от промежуточных форм для обратного перехода (см. рис. 7.26).

У арабидопсис известны 5 генов, отвечающих за биосинтез белкового ком­понента фитохрома. По количеству белка преобладают фитохром А и фитохром В, различающиеся не только белковой частью, но и спектром поглоще­ния (эффект различного окружения хромофора). Фитохромы С, D и Е — ми­норные. В белковой части всех фитохромов ближе к N-концу есть консерватив­ный домен, ковалентно связывающий фитохромобилин. При его повреждении хромофор не встраивается в фитохром. С-концевые участки отвечают за пере­дачу сигнала (обычно есть два гастидинкиназных домена).

По сравнению с Ф(В) в спектре поглощения фитохрома А более широкие пики, у Ф(А)₆₆₀ максимум поглощения — 660, однако широкое плечо выходит в дальнюю красную область. Это означает, что Ф(А)₆₆₀ переходит в Ф(А)₇₃₀ не только при облучении квантами с λ= 660 нм, но и при освещении дальним красным светом высокой интенсивности. Следовательно, у реакций, вызывае­мых Ф(А), нет К/ДК-обратимости. Фитохром А отвечает как за ответы на сверхнизкие интенсивности красного света (λ = 660 нм), так и за высокоэнергети­ческий ответ на дальний красный (λ = 730 нм). В спектре поглощения фитохрома В пики более узкие, у формы Ф(В)₆₆₀ плечо не заходит в дальнюю красную об­ласть. Фитохром В отвечает за ответы на низкую интенсивность и обеспечивает К/ДК-обратимость. Наличие фитохромов А и В, отличающихся спектрами поглощения, «позволяет» растению различать (1) полную темноту, (2) свет, обогащенный ДК-квантами, и (3) освещение, пригодное для фотосинтеза.

Растения, выращенные в темноте, «стараются» повысить чувствительность к свету, повышая содержание фитохрома А (именно Ф(А) отвечает за воспри­ятие света любого качества). При освещении (независимо от того, К или ДК), концентрация Ф(А) снижается примерно в 100 раз.

Киназная активность фитохромов зависит от состояния хромофора. Форма Ф₇₃₀ является активной (она получила красный свет с λ = 660), а Ф₆₆₀ (образу­ется в темноте или на ДК) не активна как киназа. Фосфорилирование фито­хромов также меняет их активность. Возможно, фитохромы могут автофосфорилироваться. В число возможных вторичных мессенджеров фитохромного сиг­нала входят гетеротримерные G-белки, циклическая ГМФ и кальций.

У растений, выращенных в темноте, фитохромы обычно находятся в цитозоле. Для перемещения фитохромов А и В в ядро нужны разные световые сти­мулы. Так, в конформации Ф₆₆₀ фитохром В не может пересекать ядерную мем­брану, а после фотоконверсии красным светом аккумулируется в ядре. Ф(А) переходит в ядро при освещении как ДК высокой интенсивности, так и крас­ным светом. Интересно, что на С-концевом участке у фитохромов есть два PAS-домена*, которые встречаются в транскрипционных факторах. PAS-домены важны для ДНК-белковых и для белок-белковых взаимодействий. Повреж­дение PAS-доменов нарушает функционирование фитохрома. Это означает, что, проникая в ядро, фитохром участвует в геномной регуляции, связываясь в комплексы с факторами транскрипции.